Le 18 mai 2023, une supernova est entrée en éruption dans la galaxie Pinwheel (Messier 101), située à environ 22 millions d'années-lumière dans la constellation de la Grande Ourse. L'événement, nommé SN 2023ixf, est la supernova à proximité la plus lumineuse découverte depuis le lancement de Fermi en 2008.

"Les astrophysiciens avaient précédemment estimé que les supernovae convertissaient environ 10 % de leur énergie totale en accélération des rayons cosmiques", a déclaré Guillem Martí-Devesa, chercheur à l'Université de Trieste en Italie.

"Mais nous n'avons jamais observé ce processus directement. Avec les nouvelles observations de SN 2023ixf, nos calculs aboutissent à une conversion d'énergie aussi faible que 1 % quelques jours après l'explosion. Cela n'exclut pas la possibilité que les supernovas soient des usines à rayons cosmiques, mais cela signifie que nous avons encore plus à apprendre sur leur production."

L'article, dirigé par Martí-Devesa alors qu'il était à l'Université d'Innsbruck en Autriche, paraîtra dans une prochaine édition de Astronomy and Astrophysics. .

Des milliards de milliards de rayons cosmiques entrent chaque jour en collision avec l’atmosphère terrestre. Environ 90 % d'entre eux sont des noyaux d'hydrogène (ou protons) et le reste sont des électrons ou des noyaux d'éléments plus lourds.

Les scientifiques étudient l'origine des rayons cosmiques depuis le début des années 1900, mais les particules ne peuvent pas être retracées jusqu'à leurs sources. Parce qu'ils sont chargés électriquement, les rayons cosmiques changent de trajectoire lorsqu'ils se dirigent vers la Terre grâce aux champs magnétiques qu'ils rencontrent.

"Cependant, les rayons gamma nous parviennent directement", a déclaré Elizabeth Hays, scientifique du projet Fermi au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland. "Les rayons cosmiques produisent des rayons gamma lorsqu'ils interagissent avec la matière dans leur environnement. Fermi est le télescope à rayons gamma le plus sensible en orbite. Ainsi, lorsqu'il ne détecte pas un signal attendu, les scientifiques doivent expliquer son absence. Résoudre ce mystère permettra de construire un image plus précise des origines des rayons cosmiques."

Les astrophysiciens soupçonnent depuis longtemps les supernovas d'être les principaux contributeurs de rayons cosmiques.

Ces explosions se produisent lorsqu'une étoile ayant au moins huit fois la masse du soleil manque de carburant. Le noyau s'effondre puis rebondit, propulsant une onde de choc vers l'extérieur à travers l'étoile. L'onde de choc accélère les particules, créant ainsi des rayons cosmiques. Lorsque les rayons cosmiques entrent en collision avec d'autres matières et lumières entourant l'étoile, ils génèrent des rayons gamma.

Les supernovae ont un impact considérable sur l’environnement interstellaire d’une galaxie. Leurs ondes de souffle et leurs nuages ​​de débris en expansion pourraient persister pendant plus de 50 000 ans. En 2013, des mesures de Fermi ont montré que les restes de supernova dans notre propre galaxie, la Voie lactée, accéléraient les rayons cosmiques, qui généraient de la lumière gamma lorsqu'ils frappaient la matière interstellaire. Mais les astronomes affirment que les restes ne produisent pas suffisamment de particules à haute énergie pour correspondre aux mesures des scientifiques sur Terre.

Une théorie propose que les supernovae pourraient accélérer les rayons cosmiques les plus énergétiques de notre galaxie dans les premiers jours et semaines suivant l'explosion initiale.

Mais les supernovae sont rares, se produisant seulement quelques fois par siècle dans une galaxie comme la Voie lactée. À des distances d'environ 32 millions d'années-lumière, une supernova ne se produit en moyenne qu'une fois par an.

Après un mois d'observations, commençant lorsque les télescopes à lumière visible ont vu pour la première fois SN 2023ixf, Fermi n'avait pas détecté de rayons gamma.

"Malheureusement, ne pas voir de rayons gamma ne veut pas dire qu'il n'y a pas de rayons cosmiques", a déclaré le co-auteur Matthieu Renaud, astrophysicien au Laboratoire de l'univers et des particules de Montpellier, qui fait partie du Centre national de la recherche scientifique en France. "Nous devons passer en revue toutes les hypothèses sous-jacentes concernant les mécanismes d'accélération et les conditions environnementales afin de convertir l'absence de rayons gamma en une limite supérieure pour la production de rayons cosmiques."

Les chercheurs proposent quelques scénarios qui pourraient avoir affecté la capacité de Fermi à voir les rayons gamma de l'événement, comme la façon dont l'explosion a distribué les débris et la densité de la matière entourant l'étoile.

Les observations de Fermi offrent la première opportunité d'étudier les conditions juste après l'explosion de la supernova. Des observations supplémentaires de SN 2023ixf à d'autres longueurs d'onde, de nouvelles simulations et modèles basés sur cet événement, ainsi que de futures études sur d'autres jeunes supernovae aideront les astronomes à se concentrer sur les sources mystérieuses des rayons cosmiques de l'univers.